Aluminium hochrein

Aluminium ist als Metall und Verbindungen mit Reinheiten von 99% bis 99,9999% (ACS-Qualität bis zu ultrahoher Reinheit) in Form von Folien, Sputtertargets und Nanopulvern erhältlich.

Elementare oder metallische Formen umfassen Pellets, Stäbe, Drähte und Granulate für Verdampfungszwecke. Hochreines (99,999%) Aluminiumoxid (Al2O3) -Pulver ist in Form von Pulvern und dichten Pellets für Anwendungen wie optische Beschichtungen und Dünnfilme erhältlich.

Hochreine (99,9999%) Sputtertarget aus Aluminium (Al) sind in löslichen Formen erhältlich, einschließlich Chloriden, Nitraten und Acetaten. Diese Verbindungen werden auch als Lösungen bei bestimmten Stöchiometrien hergestellt.

Aluminium kann in ultrahoher Reinheit (99,999 +%) für Laborstandards, fortgeschrittene elektronische Dünnschichtabscheidung unter Verwendung von Sputtertargets und Verdampfungsmaterialien, metallurgischen und optischen Materialien und anderen hochtechnologischen Anwendungen synthetisiert werden.

Metallorganische Aluminiumverbindungen sind in organischen oder nichtwässrigen Lösungsmitteln löslich.

Reinst Aluminium mit einer Reinheit von >99,999% wird mit Hilfe einer Drei-Schichten-Elektrolyse hergestellt. Um den technischen Aufwand zu verdeutlichen haben wir hier weiter unten die original Beschreibung des Patens DE4329732C1 eingebracht. Dieser Vorgang ist sowohl bei den Ingot als auch bei den Feinstdraht Erzeugnissen zu verwenden.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Raffination von Aluminium in einer Dreischichten- Schmelzfluß-Elektrolysezelle, wobei die Zugabe des zu raffinierenden Metalles über einen Vorherd erfolgt, der eine flüssige Anodenlegierung enthält.

Üblicherweise wird bei der Dreischichten-Elektrolyse ein Ofen mit einem Vorherd verwendet. Dieser dient zur Beschickung der Elektrolysezelle, wobei die Zuführung des zu raffinierenden Reinaluminiums in flüssiger Form über den als Sifon ausgebildeten Vorherd in die untere Schicht des Elektrolysemetalls, dem sogenannten Anodenmetall erfolgt. Dem Anodenmetall sind zur Erhöhung der Dichte etwa 30% Kupfer zugesetzt, wobei wegen der ständigen Zufuhr frischen Aluminiummaterials eine ungleichmäßige Legierungsverteilung im Elektrolyseofen festzustellen ist.

Neben dem Anodenmetall besteht die Dreischichten- Elektrolyse aus einer mittleren Schicht eines schmelzflüssigen Elektrolyten und dem darüber befindlichen Produkt „Reinstaluminium“, das als oberste Schicht mit den Graphitkathoden in Kontakt steht.

Die Elektrolyse wird mit Gleichstrom betrieben, wobei die anodische Stromzuführung am Boden des Ofens und die kathodische Zuführung über Graphitelektroden erfolgt. Aufgrund der elektro-chemischen Potentionalverhältnisse wird im wesentlichen nur Aluminium anodisch aufgelöst bzw. kathodisch abgeschieden. Aufgrund der niedrigen Diffusionsgeschwindigkeit erfolgt keine selbsttätige Vermischung des zugeführten flüssigen Reinaluminiums mit der Anodenlegierung, so daß bisher mechanisch gepumpt wurde, um einen Konzentrationsausgleich zwischen den verschiedenen Bestandteilen des Anodenmetalls zu erzielen.

Durch ein manuelles oder mechanisches Pumpen besteht die Gefahr, daß an den Grenzflächen der drei Schichten Wellen auftreten, die im Extremfall durch lokale Kurzschlüsse zu Verunreinigungen der Kathode mit dem Anodenmetall führen. Ferner ist es nachteilig, daß bisher zur Verbesserung der Mischbarkeit das zu raffinierende Reinaluminium in einem separaten Ofen aufgeschmolzen und dann erst über den Vorherd mit dem Anodenmetall vermischt wurde. Die bekannte Verfahrensweise konnte auch nur diskontinuierlich durchgeführt werden, da immer abgewartet werden mußte, bis das zugegebene Reinaluminium durch mechanisches Pumpen im Vorherd verteilt war.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die genannten Nachteile zu vermeiden und ein Verfahren sowie eine Vorrichtung anzugeben, die eine kontinuierliche Zuführung von Reinaluminium auch in stückiger Form in das Elektrolysemetall ermöglichen, wobei Kurzschlüsse vermieden und Verunreinigungen laufend abgezogen werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in dem Hauptanspruch angegebenen Merkmale gelöst. Weitere bevorzugte Ausführungen der Erfindung sind den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 15 zu entnehmen.

Der wesentliche Erfindungsgedanke besteht darin, daß ein Teil des Elektrolysestroms durch den Vorherd in das Anodenmetall geleitet wird. Dabei entsteht aus der Kombination des Stromflusses mit dem Magnetfeld des Ofens eine Kraft, die zu einer Metallbewegung im Vorherd führt. Diese Bewegung reicht bei entsprechendem Stromfluß aus, um ein Schmelzen und Vermischen des in dem Vorherd eingebrachten Reinaluminiums zu bewirken.

Der über die Elektrode 9 in den Vorherd zugeführte Strom beträgt etwa 1 bis 20%; vorzugsweise 10 bis 15%, des Gesamtstroms der Elektrolysezelle. Anhand zahlreicher Versuche wurde festgestellt, daß ein Strom von 1,5 bis 7,5 kA über die Elektrode 9 in den Vorherd eingeleitet werden kann, wobei vorzugsweise 3 bis 6 kA ausreichen, um eine gute Auflösung auch von stückigem Aluminium im Vorherd zu ermöglichen.

Das Einstellen des über die Elektrode 9 fließenden Stromes kann beispielsweise durch folgende Parameter vorgenommen werden:

• 1. Änderung der Leitfähigkeit des Nippelmaterials, der Stampfmasse bzw. der Kohleelektrode
• 2. Änderung des Querschnittes der Elektrode 9 bzw. der im Anodenmetall wirksamen Oberfläche
• 3. Zu- oder Abschalten einzelner Stromzuführungen an der Kathode oder Anode
• 4. Änderung der Werkstoffpaarung Graphit/Kupfer/Kunstharzbinder.
• 5. Änderung der Dicke der Stampfmassenschicht 19.

Anhand von Versuchen hat es sich als besonders wirksam erwiesen, das Material der Elektrode 9 aus doppelt imprägnierten Elektrographit zu verwenden. Es ist aber auch mit Graphit oder Kohle möglich, eine ausreichende Stromzufuhr in das Anodenmetall einzuleiten.

Die Grenzen für die über die Elektrode 9 eingeleitete Stromzufuhr wird durch folgende Randbedingungen definiert:

Bei weniger als 1% reicht die im Anodenmetall wirksame Kraft nicht aus, um eine ausreichende Durchmischung zu erzielen. Bei mehr als 20% des Gesamtstromes treten Stromdichten auf, die im Hinblick auf eine ausreichende Lebensdauer nach obenhin begrenzt werden müssen.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Elektrode 9 eine Schutzhaube auf, die den Abbrand verhindern soll. Sie besteht aus einem keramischen Material, das gasdicht und beständig gegen eine Aluminium-Kupfer-Anodenlegierung ist; beispielsweise kann nitrid-gebundenes Siliziumkarbid verwendet werden. Als besonders günstig hat sich eine Mischung aus Siliziumkarbid und Siliziumpulver erwiesen, das unter Stickstoff geglüht wurde.

Von Zeit zu Zeit ist es wichtig, daß die Unterseite der Elektrode 9 von Krätze aus den charchierten Aluminiumstücken gereinigt wird. Die Elektrode 9 sollte deshalb unten aus der Schutzhülle herausragen, wobei durch eine vertikale Verstellung gegenüber der Schutzhülle ein Abstreifen bzw. ein Reinigen ermöglicht wird. Ferner muß die Leitfähigkeit der Elektrode 9 einstellbar sein, um die gewünschte Rührwirkung bzw. Durchmischung im Anodenmetall zu bewirken.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Gestaltung der Dreischichten-Elektrolyse ist es möglich, daß eine automatische Zugabe von Reinaluminium auch in stückiger Form erfolgt, wobei die Betriebsweise durch einfache regelungstechnische Maßnahmen vollautomatisch ablaufen kann.

Auf die bisher erforderlichen mechanischen Rührer kann verzichtet werden; aufgrund der eingesetzten Werkstoffe und der konstruktiven Gestaltung der Elektrode 9 ist eine lange Lebensdauer garantiert. Dadurch sind die Betriebszeiten der erfindungsgemäßen Elektrode wesentlich verlängert worden.

In der Elektrolysezelle 10 ist eine Auskleidung aus Magnesit 1 sowie ein Anodenboden aus Kohlenstoff 2 zu erkennen. Die Stromzuführung erfolgt anodisch über die Anodenschiene 3 aus Stahl und kathodisch über Graphitkathoden 7, die an einer entsprechenden Kathodenschiene aufgehängt sind. Innerhalb der Elektrolysezelle befindet sich das zu raffinierende Hüttenaluminium bzw. das Anodenmetall 4, das nach oben hin durch einen schmelzflüssigen Elektrolyten 5 abgedeckt ist.

Das Anodenmetall 4 erstreckt sich bis in den Vorherd 8, der zur Verbesserung der Strömungsverhältnisse schräg an den Elektrolyseofen angesetzt ist.

Mit der Anodenschiene 3 sind die Anoden 11 und die Elektrode 9 verbunden. Seitlich der Elektrode 9 kann stückiges Aluminium in Pfeilrichtung 12 zugegeben werden.

Das gereinigte Aluminium setzt sich als Reinstaluminium an der Grenzfläche Elektrolyt/Kathode ab. Aus dem Kathodenraum kann es in bekannter Weise abgezogen werden.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann in vorteilhafter Weise der Badspiegel in der Dreischichten-Elektrolysezelle konstant gehalten werden, und zwar mit so großer Genauigkeit, daß selbst kleine Schwankungen durch kontinuierliche Zugabe von Reinaluminium, vorzugsweise in stückiger Form, ausgeglichen werden können. Dieses hat den überraschenden Vorteil, daß der Reinheitsgrad bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wesentlich verbessert werden kann, da keine Verunreinigungen von der Auskleidung der Elektrolysezelle aufgenommen werden. Bei der Dreischichten-Elektrolyse ist dies besonders wichtig, weil sich an den Wänden der Zelle die Verunreinigungen der jeweiligen Schicht abscheiden, so daß bei Schwankungen des Badspiegels die Gefahr besteht, daß die Verunreinigung wieder in die bereits gereinigten Aluminiumschichten aufgenommen werden.

In Fig. 2 ist der erfindungsgemäße Aufbau einer Elektrode 9 näher dargestellt. Man erkennt das Elektrodenmaterial 13 und die Umhüllung 14, die durch einen Zwischenraum 17, der zur Isolierung der Umhüllung beiträgt, von dem Elektrodenmaterial 13 getrennt ist.

Die Elektrode 9 besteht weiterhin aus dem Elektrodennippel 18 und einer dünnen Stampfmassenschicht 19, die den Elektrodennippel 18 innerhalb der hülsenförmigen Elektrode umgibt.

Am Elektrodennippel 18 ist im oberen Teil ferner die Umhüllung 14 befestigt, wobei diese über eine Schraube 20 und eine Abdeckung 21 gegen eine Ringscheibe 22 gedrückt wird. Zwischen der Umhüllung 14 und dem Nippel 18 befindet sich ein Dichtungsmaterial 23, so daß ein gasdichter Abschluß der Elektrode zur Umgebungsluft hin gesichert ist. Die Ringscheibe 22 drückt dabei gegen die Anschlagblöcke 24 des Nippels 18.

Zur Verbesserung der Auflagefläche auf dem Vorherd 8 ist eine Wandabstützung 25 vorgesehen. Sie erfüllt gleichzeitig auch Dichtungsfunktionen und dient als Befestigungsmittel für die Auflage der Abdeckung 21.

Damit der Widerstand in der Elektrode 9 klein gehalten wird, muß der Abstand zwischen dem Tiefpunkt 15 der Elektrode 9 und der Unterkante 16 der Umhüllung 14 innerhalb bestimmter Grenzen gehalten werden. Eine Einstellmöglichkeit ist gegeben durch die mechanische Verbindung des Nippels 18 über die Schrauben 26, 27, 28 mit der Elektrodenstange 29. Vorzugsweise liegt der Abstand zwischen der Unterkante 16 und dem Tiefpunkt 15 zwischen 20 und 30 cm.